题目内容

【题目】如图所示,两根倾斜直金属导轨MN、PQ平行放置,它们所构成的轨道平面与水平面之间的夹角θ=37,两轨道之间的距离L=0.50m。一根质量m=0.20kg的均匀直金属杆ab放在两导轨上,并与导轨垂直,且接触良好,整套装置处于与ab棒垂直的匀强磁场中。在导轨的上端接有电动势E=36V、内阻r=1.6Ω的直流电源和电阻箱R。已知导轨与金属杆的电阻均可忽略不计,sin37=0.60,cos37=0.80,重力加速度g=10m/s2。

(1)若金属杆ab和导轨之间的摩擦可忽略不计,当电阻箱接入电路中的电阻R1=2.0Ω时,金属杆ab静止在轨道上。

①如果磁场方向竖直向下,求满足条件的磁感应强度的大小;

②如果磁场的方向可以随意调整,求满足条件的磁感应强度的最小值及方向;

(2)如果金属杆ab和导轨之间的摩擦不可忽略,整套装置处于垂直于轨道平面斜向下、磁感应强度大小B=0.40T的匀强磁场中,当电阻箱接入电路中的电阻值R2=3.4Ω时,金属杆ab仍保持静止,求此时金属杆ab受到的摩擦力f大小及方向。

【答案】(1)①0.30T;②0.24T;垂直于轨道平面斜向下;(2)0.24N;沿轨道平面向下。

【解析】试题分析:(1)①设通过金属杆ab的电流为I1,

根据闭合电路欧姆定律可知: I1=E/(R1+r)

设磁感应强度为B1,由安培定则可知金属杆ab受安培力沿水平方向,金属杆ab受力如答图1。

对金属杆ab,根据共点力平衡条件有:B1I1L=mgtanθ

解得:=0.30T

②根据共点力平衡条件可知,最小的安培力方向应沿导轨平面向上,金属杆ab受力如答图2所示。

设磁感应强度的最小值为B2,对金属杆ab,根据共点力平衡条件有:

B2I1L=mgsinθ 解得:=0.24T

根据左手定则可判断出,此时磁场的方向应垂直于轨道平面斜向下。

(2)设通过金属杆ab的电流为I2,

根据闭合电路欧姆定律可知: I2=E/(R2+r)

假设金属杆ab受到的摩擦力方向沿轨道平面向下,

根据共点力平衡条件有: BI2L=mgsinθ+f

解得: f=0.24N

结果为正,说明假设成立,摩擦力方向沿轨道平面向下。

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